BAB IV - Tugas Khusus [PDF]

Citation preview

BAB IV TUGAS KHUSUS EVALUASI KINERJA WASTE HEAT BOILER (WHB) DI PT. PUSRI IB MELALUI PERHITUNGAN EFISIENSI PANAS 4.1.



Pendahuluan



4.1.1. Latar Belakang



Waste Heat Boiler (WHB) merupakan Boiler yang memanfaatkan panas gas buangan untuk menghasilkan steam. Pada PUSRI IB panas gas buangan tersebut berasal dari Gas Turbin Generator (Exhaust GTG) dan hasil pembakaran di burner. Pada boiler ini berfungsi untuk menghasilkan steam bertekanan sedang. Steam SM inilah yang akan melayani kebutuhan pabrik urea, offsite (utilitas) dan untuk start-up pabrik amoniak PUSRI IB. WHB PUSRI IB mengalami permasalahan pada kinerja dan efisiennya yang disebabkan oleh pecahnya tube di WHB pada tahun 2011. Oleh karena itu, kinerja WHB PUSRI IB perlu dievaluasi melalui perhitungan efisiensinya. Evaluasi kinerja WHB dapat dilihat dari panas hasil pembakaran dan penyerapan panas yang terjadi di dalam WHB untuk menghasilkan steam. 4.1.2. Permasalahan



1) Bagaimana prinsip kerja Waste Heat Boiler PUSRI IB ? 2) Bagaimana kinerja WHB (Waste Heat Boiler) PUSRI IB dalam memproduksi steam pada unit utilitas? 4.1.3. Tujuan



1) Mengetahui prinsip kerja WHB (Waste Heat Boiler) PUSRI IB. 2) Mengetahui kinerja WHB (Waste Heat Boiler) PUSRI IB melalui perhitungan efisiensi boiler. 4.1.4. Ruang Lingkup Permasalahan



Pada tugas khusus ini permasalahan dibatasi pada perhitungan efisiensi WHB PUSRI IB unit utilitas pada 9 Juni-15 Juni 2016. Adapun data pendukung perhitungan yang digunakan adalah data aktual temperatur desuperheater, pembakaran, dan economizer WHB serta flowrate dan temperatur Boiler Feed Water dan exhaust Gas Turbin Generator. 76



4.1.5. Manfaat 1) Dapat mengetahui prinsip kerja WHB (Waste Heat Boiler) PUSRI IB. 2) Dapat mengetahui kinerja WHB (Waste Heat Boiler) PUSRI IB melalui perhitungan efisiensi boiler. 4.2.



Tinjauan Pustaka



4.2.1. Heat exchanger Unit penukar kalor adalah suatu alat untuk memindahkan kalor dari suatu fluida ke fluida yang lain. Sebagian besar dari industri-industri yang berkaitan dengan pemprosesan biasanya menggunakan alat ini, sehingga alat penukar kalor ini mempunyai peran yang penting dalam suatu proses produksi atau operasi. Alat penukar kalor atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan untuk memindahkan kalor dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Medium pemanas yang biasanya dipakai adalah air yang dipanaskan sebagai fluida kalor dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar kalor dirancang sebisa mungkin agar perpindahan kalor antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran kalor terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung (direct contact). Jenis-jenis penukar kalor antara lain : a. Plate and Frame Heat Exchanger Alat ini adalah jenis penukar kalor yang menggunakan pelat logam untuk mentransfer kalor antara dua cairan. Produk akan dipanaskan dan masuk kedalam suatu larutan yang kemudian akan mengalir pada sebuah pelat. Proses pemanasan ini terjadi dengan adanya medium pemanas yang mengalir pada saluran dan pelat yang lainnya. Dimana pelat yang telah tersusun ini akan secara bergantian mengalirkan produk dan medium pemanas. Pelat yang dialiri produk tidak akan dialiri oleh komponen lain. b. Double Pipe Heat Exchanger Penukar kalor pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standart yang dikedua ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan kotak penyekat. Pada alat ini, mekanisme perpindahan kalor terjadi secara tidak 77



langsung (indirect contact type), karena terdapat dinding pemisah antara kedua fluida sehingga kedua fluida tidak bercampur. c. Shell and Tube Heat Exchanger Penukar kalor jenis ini hampir sama dengan jenis pipa rangkap, perbedaan nya adalah aliran fluida yang kontak. Aliran kontak fluida yang digunakan adalah aliran secara berlawanan. d. Adiabatic wheel Heat Exchanger Penukar kalor ini jenis ini menggunakan intermediate cairan untuk menahan kalor dan terdiri dari roda adiabatik. Roda ini ialah roda besar dengan benang halus yang berputar melalui fluida kalor dan dingin yang digunakan. e. Pillow plate Heat Exchanger Penukar kalor jenis ini memiliki pelat bantal yang dibangun menggunakan lembaran tipis dari logam-spot dilas ke permukaan selembar tebal dari logam. f. Dynamic scraped surface Heat Exchanger Penukar kalor jenis ini digunakan untuk pemanasan atau pendinginan dengan tinggi viskositas produk, proses kristalisasi, penguapan tinggi dan fouling. g. Phase-change Heat Exchanger Penukar kalor jenis ini dapat digunakan baik untuk memanaskan cairan menguap (atau mendidih) atau digunakan sebagai kondensor untuk mendinginkan uap dan mengembun ke cairan. Dari jenis-jenis penukar kalor diatas, komponen-komponen peralatan tergantung dari jenisnya. Setiap komponen memiliki peranan masing-masing yang semuanya saling bergantungan yang apabila salah satu tidak berfungsi maka akan mengganggu kinerja dari peralatan tersebut. Alat penukar kalor dikelompokan berdasarkan fungsinya: a. Chiller Chiller adalah alat penukar kalor yang digunakan untuk mendinginkan fluida sampai pada temperatur yang rendah. Temperature fluida hasil pendinginan menggunakan chiller lebih rendah bila dibandingkan dengan 78



hasil pendinginan fluida menggunakan pendingin media air. Untuk chiller ini media pendingin biasanya digunakan amoniak atau freon. b. Kondensor Kondensor adalah alat penukar kalor yang digunakan untuk mendinginkan uap atau campuran uap, sehingga uap dan campuran uap tersebut berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan kalor kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap yang mempergunakan condensing turbin. Uap dari turbin tersebut akan dimasukkan ke dalam kondensor, kemudian diembunkan menjadi kondensat. c. Cooler Cooler adalah alat penukar kalor yang digunakan untuk mendinginkan cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Pada alat ini tidak terjadi perubahan fasa, seiring perkrmbangan teknologi, cooler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan (kipas). d. Evaporator Evaporator adalah alat penukar kalor yang digunakan untuk penguapan cairan menjadi uap. Pada alat ini terjadi proses evaporasi (penguapan) suatu zat dari fasa cair menjadi uap. Alat ini memanfaatkan kalor laten pada proses penguapan tersebut. Selain itu, zat yang menghasilkan kalor laten tersebut adalah air atau refrigerant cair. e. Heat Exchanger Alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan kalor suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu: memanaskan fluida dan mendinginkan fluida yang kalor f. Reboiler Reboiler adalah alat penukar kalor yang berfungsi mendidihkan kembali (reboil) serta menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang sering digunakan adalah uap atau zat kalor yang sedang diproses itu sendiri.



79



4.2.2. Boiler Boiler terdiri dari peralatan penyaluran udara, sistem penyaluran bahan bakar, sistem suplai air, drum uap dan pipa-pipa. Boiler harus dibuat dengan konstruksi yang kuat agar dapat menahan tekanan operasi secara konstan, berubahubah atau pada perubahan keadaan yang tiba-tiba. Boiler mempunyai dua bagian penting yaitu tungku (burner), evaporator, superheater dan economizer. Tungku (burner) adalah bagian yang berfungsi untuk menghasilkan panas dengan cara membakar bahan bakar. Sedangkan evaporator, superheater, dan economizer adalah alat yang berfungsi untuk mentransfer panas dari tungku ke dalam suatu Boiler. Boiler dapat diklasifikasikan berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, pemakaiannya, pada poros tutup drum (shell), bentuk dan letak pipa, tekanan kerja, kapasitasnya serta sumber panasnya. Adapun klasifikasi boiler adalah sebagai berikut: 1. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa a)



Ketel pipa api (fire tube boiler) Pada ketel pipa api seperti tampak pada gambar 4.1, gas panas



melewati pipa-pipa dan air umpan ketel ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Ketel pipa api biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah dan sedang. Sebagai pedoman, ketel pipa api kompetitif untuk kecepatan steam sampai 14.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Ketel pipa api dapat menggunakan bahan bakar minyak, gas atau bahan bakar padat dalam 6 operasi. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar ketel pipa api dikonstruksi sebagai “paket” boiler ( dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar



Gambar 4.1. Ketel Pipa Api 80



b)



Ketel pipa air (water tube boiler) Pada Ketel pipa air seperti tampak pada gambar 4.2, air umpan



boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakaran membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Ketel ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus ketel untuk pembangkit tenaga listrik.Untuk ketel pipa air yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket.



Gambar 4.2. Ketel pipa air



2. Berdasarkan pemakaiannya a)



Ketel Stasioner (Stasionary boiler) atau ketel tetap Merupakan ketel-ketel yang didudukan di atas fundasi yang tetap,



seperti ketel untuk pembangkit tenaga, untuk industri dan lain-lain sebagainya. b)



Ketel pindah atau portable boiler. Merupakan ketel yang dipasang fundasi yang berpindah-pindah



(mobil), seperti boiler lokomotif, lokomobil, dan ketel panjang serta lain yang sebagainya termasuk ketel kapal (marine Boiler). 3. Berdasarkan pada poros tutup drum (shell) a)



Ketel Tegak Ketel Tegak seperti tampak pada Gambar 4.3 (vertical steam boiler)



adapun contoh ketel tegak adalah ketel Cocharn dan Ketel Clarkson. 81



Gambar 4.3. Ketel tegak



b)



Ketel mendatar (horizontal steam Boiler), Adapun yang termasuk jenis ketel ini adalah ketel Cornish,



Lancashire (tampak pada Gambar 4.4) , Scotch dan lain-lain.



Gambar 4.4. Ketel mendatar



4. Berdasarkan bentuk dan letak pipa a)



Ketel dengan pipa lurus, bengkok dan terlekak-lekuk (straight, bent



and sinous tubuler heating surface). b)



Ketel dengan pipa miring datar dan miring tegak ( horizontal,



inclined or vertical tubuler heating surface). 5. Berdasarkan tekanan kerjanya: a)



Ketel peredaran alami ( natural circulation steam boiler). Merupakan boiler dengan peredaran air didalam ketel terjadi secara



alami yaitu air yang ringan naik, sedangkan air yang berat turun, sehingga 82



terjadi aliran konveksi alami. Umumnya ketel beroperasi secara aliran alami, seperti ketel Lancashire, Babcock & Wilcox dan lain-lain. b)



Ketel peredaran paksa ( force circulation steam boiler) Merupakan Boiler dengan aliran paksa, aliran paksa diperoleh dari



pompa sentrifugal yang digerakan secara electrik pada motor, misalnya sistem aliran paksa pada ketel-ketel bertekanan tinggi misalnya La-mont Boiler, Bensonn Boiler, Loeffer Boiler dan Velcan Boiler. 6. Berdasarkan kapasitasnya: a)



Tekanan kerja rendah : ≤ 5 atm



b)



Tekanan kerja sedang : > 5-40 atm



c)



Tekanan kerja tinggi : > 40-80 atm



d)



Tekanan kerja sangat tinggi : > 80 atm



7. Berdasarkan pada sumber panasnya: a)



Ketel uap dengan bahan bakar alami.



b)



Ketel uap dengan bahan bakar buatan.



c)



Ketel uap dengan dapur listrik.



d)



Ketel uap dengan energi nuklir.



4.2.3. Waste Heat Boiler (WHB) PUSRI IB Waste Heat Boiler memenuhi 45% dari keperluan steam seluruh unit, sedangkan sisanya didapat dari package Boiler. Boiler ini berkapasitas 90 ton/jam dengan menggunakan media pemanas berupa panas sensibel dari exhaust gas yang berasal dari Gas Turbine Generator, dan dipanaskan lagi oleh panas pembakaran gas alam.



Gambar 4.5. Sistematik Waste Heat Boiler



83



Gas buang yang berasal dari turbin dialirkan ke dalam Waste Heat Boiler. Gas buang ini berasal dari Gas Turbine Generator yang dimiliki PUSRI 1B. Gas Turbin di PUSRI IB menggunakan bahan bakar gas alam yang dipasok oleh pertamina. Daya yang dihasilkan oleh turbin digunakan sebagai alat putar untuk menggerakan generator yang berfungsi untuk membangkitkan listrik. Turbin gas yang terdapat di unit Utilitas PUSRI IB, berguna untuk menyuplai listrik baik (Kawasan Industri PUSRI). Generator yang digunakan di PT. PUSRI merupakan satu kesatuan dengan turbin gas. Energi mekanik dari putaran poros dari turbin sebesar 5100 rpm diubah menjadi 3000 rpm pada putaran poros generator melalui gigi reduksi. Jika jumlah uap yang diperlukan oleh Boiler lebih besar maka pemanasan tambahan dilakukan dengan menambahkan bahan bakar berupa gas alam melalui Burner. Setelah memanaskan ketel maka gas dibuang melalui cerobong asap. Jika ketel dalam keadaan tidak bekerja, maka gas buang turbin langsung dibuang melalui cerobong by-pass. Air umpan Boiler dari storage deaerator dialirkan menuju economizer. Boiler Feed Water (BFW) masuk ke economizer. Melalui tube-tube dari Boiler, BFW dari economizer yang sudah melewati steam drum dipanaskan dalam furnace. Karena pemanasan tersebut maka air berubah menjadi uap yang kemudian masuk ke steamdrum. Karena berat jenis uap lebih kecil maka uap akannaik ke steam drum bagian atas dan air akan masuk melewati tube-tube dan masuk ke steam drum bagian bawah yang akan terjadi sirkulasi antara air dengan uap. Setelah itu dipanaskan lagi di superheater sehingga menjadi superheated steam. Jika temperatur yang keluar dari superheater lebih dari 400°C maka uap dialirkan terlebih dahulu ke desuperheater. Total solid dalam Boiler harus kecil (